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《自然》子刊:基因编辑研发管线深度盘点

来源:检验医学网    阅读:

在过去18个月里,有11项基因编辑研发项目在美国或欧盟进入临床开发阶段,其中6项基于CRISPR-Cas基因编辑系统。现在基因编辑研发管线包括这一技术在体外基因编辑、癌症免疫学和体内基因编辑方面的应用。近日,Nature Reviews Drug Discovery上发表的一篇综述对基因编辑的研发管线进行了深度盘点。如CRISPR技术先驱之一,加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授所说,“现在是令人兴奋的时代!”

多种基因编辑技术平台进入临床开发阶段

提到基因编辑技术,人们可能首先想到的是CRISPR-Cas基因编辑系统。这一系统通过使用向导RNA(guide RNA),让Cas酶能够识别基因组中的特定序列,从而对DNA或RNA序列进行精准的切割。CRISPR-Cas基因编辑系统因为它的简便和可编程性,在问世以后就得到了学术界和研发界的广泛应用。

然而,基因编辑的工具并不只有CRISPR。目前,多项基于其它基因编辑技术平台的研发项目也已经进行临床开发阶段。其中之一是锌指核酸酶(Zinc-finger nucleases, ZFNs),这类核酸内切酶并不依靠RNA,而是依靠锌指蛋白来识别特定DNA序列。Sangamo公司在开发基于锌指核酸酶的基因编辑系统方面积累了很多经验。由于需要对锌指蛋白进行修改来改变ZFN的靶向序列特异性,基于锌指核酸酶的基因编辑系统没有CRISPR基因编辑系统那么简便。然而,ZFN基因编辑系统也有自己的优势。例如,它并不是源于细菌的蛋白,因此在人体中使用时可能更不容易激发人体的免疫反应。而且,ZFN识别DNA序列的蛋白域与其它基因编辑系统相比更小,更容易装进递送基因编辑系统的载体之中。

除了CRISPR和锌指核酸酶以外,其它的基因编辑技术平台包括TALEN,大范围核酸酶(meganulease),以及综合TALEN和大范围核酸酶构建的megaTAL技术。它们都存在各自的优缺点,也可以不同的应用场景下发挥作用。

体外基因编辑研发管线

最初的基因编辑研发项目聚焦于在体外对细胞进行编辑。从新技术开发的角度来讲这并不意外,在体外对细胞的基因组进行编辑,可以避开困扰基因编辑的多种障碍。以CRISPR为例,基因编辑的一个主要障碍是如何将较大的基因编辑系统递送到细胞内部,而体外基因编辑可以使用电穿孔技术打开细胞膜这一屏障,让基因编辑系统比较容易地进入细胞。

CRISPR基因编辑技术需要克服的另外两个难关是防止基因编辑的“脱靶效应”和Cas蛋白产生的免疫原性。而在体外对细胞进行基因编辑可以绕开人体的免疫应答问题,并且可以对编辑后的细胞进行检测,发现和清除出现“脱靶效应”的细胞。提高潜在疗法的安全性。

目前,体外基因编辑研发项目主要聚集于血红蛋白疾病和癌症免疫学两大领域。无论是血红蛋白疾病还是血液癌症,已有的基因疗法和细胞疗法的成功已经为开发基于基因编辑的创新疗法铺平了道路。同时,它们也代表着患者未被满足的医疗需求。

在血红蛋白疾病方面,数项治疗镰状细胞贫血(SCD)和β地中海贫血的基因编辑项目已经进入临床开发阶段。其中,Sangamo和赛诺菲联合开发的ST-400/BIVV003使用ZFN基因编辑系统对从患者体内获得的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)进行基因编辑,通过对BCL11A基因的编辑让细胞能够重新表达胎儿血红蛋白。去年在ASH年会上公布的初步数据表明,接受改造过的HSPCs治疗的三名患者中有两名患者的胎儿血红蛋白水平显着提高。

CRISPR Therapeutics和Vertex公司联合开发的CTX001使用CRISPR系统靶向同样的BCL11A基因。去年该公司公布了CTX001在一名严重镰状细胞贫血患者和一名β地中海贫血患者中的疗效。两名患者的临床症状都有显着改善。

在癌症免疫疗法方面,CAR-T疗法的获批和它们在治疗血液癌症方面的成功,不但为对T细胞进行基因编辑打下了良好的基础,也为基因编辑技术找出了一个很好的应用领域。CAR-T细胞通过将抗原嵌合受体(CAR)通过基因工程表达在T细胞表面,让T细胞成为攻击肿瘤的武器。然而,T细胞中原本存在的天然T细胞受体可能影响CAR-T细胞的疗效,并且T细胞还受到多种免疫抑制和调控机制的影响,导致它们功能失常或出现衰竭。

基因编辑技术提供了一种进一步改进CAR-T疗法的策略。在2019年,宾夕法尼亚大学的CAR-T疗法先驱Carl June博士与合作伙伴一起,使用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除了T细胞中的内源T细胞受体和表达PD-1的基因。然后,他们将识别NY-ESO-1抗原(一种在多种肿瘤组织中高度表达的抗原)的T细胞受体表达在这些T细胞中。今年2月,研究团队在《科学》杂志上发表了研究的初步结果。初步结果表明,经过基因编辑的T细胞没有导致与治疗相关的严重不良反应,而且显示出持久的存活和扩增能力。

目前在癌症免疫疗法的研发管线中,基因编辑技术被用于进一步改善靶向CD19或BCMA抗原的CAR-T疗法,以及对同种异体细胞疗法进行改造,防止同种异体的T细胞对宿主组织进行攻击。

体内基因编辑研发管线

体内基因编辑疗法需要将基因编辑系统送入患者体内,在体内完成对基因组中特定序列的编辑。与体外基因编辑相比,它需要克服更多障碍,而它的应用领域也更为多样化。

例如,由著名学者张锋博士联合创建的Editas Medicine和艾尔建在今年完成首例CRISPR体内基因编辑疗法的患者给药。这款名为EDIT-101(又名AGN-151587)的在研疗法使用腺相关病毒,将CRISPR基因编辑系统导入患者的视网膜细胞中,切除或逆转导致Leber先天性黑朦10的CEP290基因上的致病突变。

眼睛为检验体内基因编辑疗法提供了一个良好的环境,因为眼睛属于免疫特权(immunoprivileged)部位,在眼中引入外来蛋白不容易引起免疫反应,而且眼睛向身体其它部位的血液循环有限,降低基因编辑系统对其它组织进行编辑的风险。同时,被基因编辑的细胞不会更新换代,可能提高基因编辑的长期效果。

今年1月,Locus Biosciences公司宣布,启动1b期临床研究,检验其武装了CRISPR-Cas3基因编辑系统的噬菌体crPhage,靶向导致尿道感染的大肠杆菌时的效果。噬菌体是自然界中天然以细菌为食的病毒,然而很多噬菌体杀伤细菌的能力并不算强。Locus Biosciences公司提高噬菌体杀伤力的办法是给它们装上CRISPR-Cas3的武器。Cas3与通常的Cas9不同,它一旦识别细菌基因组中的特定序列,会将附近的所有序列切碎,从而达到消灭细菌的效果。在临床前研究中,这一携带CRISPR-Cas3的噬菌体在体外培养和尿道感染的小动物模型中都显示出更好的杀菌效果。

在基因编辑研发管线中,很多项目治疗的疾病为罕见病,这是由于作为一种新兴技术,基因编辑的安全性尚未得到完全验证,因此,在治疗没有已有疗法的罕见病患者时的收益/风险比更为合理。不过,随着更多的临床试验结果验证它的安全性,基因编辑技术有可能向患者人数更多的大众病扩展。

展望未来

在今明两年,多项基因编辑临床项目将公布结果。这些临床结果将对基因编辑疗法的短期未来走向产生很大的影响。同时,研究人员已经在进一步丰富基因编辑的“工具箱”方面取得了重要进步。例如,Broad研究所的刘如谦(David Liu)教授基于CRISPR基因编辑系统,开发出单碱基编辑器,能够将基因序列中的任何碱基修改成其它碱基。这一单碱基编辑系统能够用于治疗多种因为单碱基突变导致的遗传性疾病。

对基因编辑系统的另一个研发方向是利用它识别基因组序列的能力,不去切断DNA序列,而是让它携带能够调控基因表达的调节因子。例如,CRISPR-dCas9系统没有切割DNA序列的活性,但是它可以与调节基因表达的效应子融合,调节特定基因的表达。Navega Therapeutics公司希望利用这一工具沉默Nav1.7离子通道的表达,从而阻断传递痛觉信号的通路。

Sangamo公司在去年年底召开的研发日活动中,也着重强调了锌指蛋白与转录因子的结合(ZFN-TF),可以产生精准调节基因表达的工具。该公司还指出,将锌指蛋白与不同效应子相结合,可以产生行使多种不同功能的基因组调控工具。

基因编辑技术问世以来,人们对它能够为治疗疾病带来哪些革新做出了很多设想。在经过多年的努力之后,展现基因编辑疗法潜力的临床试验结果即将在不久的未来公布,让我们拭目以待!

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